風機常見故障及分析方法綜述

上海中廣核工程科技有限公司 張 毅

1 引言

風電對于改善能源供應(yīng)，改變能源結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展意義重大。隨著技術(shù)的推陳出新和機組容量的增大，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，因此如何預(yù)防和及時消除風電機組的故障成為關(guān)注的熱點。由于風電機組所在風場的風況復(fù)雜多變且運行環(huán)境惡劣，經(jīng)歷著酷暑、嚴寒、雷雨等不良環(huán)境的侵蝕，極易引起各種設(shè)備或電力事故。因此，對風電機組故障原因分析及診斷方法的科學(xué)研究，提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，對于提升風電機組工作的安全性，保障其穩(wěn)定運行有著重大現(xiàn)實意義。

2 風電機組常見故障及原因分析

2.1 塔筒及基礎(chǔ)常見故障及原因分析

塔筒起著支撐機艙和吸收振動沖擊的重要作用。國內(nèi)風電塔筒多由合金鋼作為原料進行生產(chǎn)加工，一般由三段或者四段筒體組成，筒體間通過螺栓連接。由于風機塔筒暴露在野外環(huán)境中，在外部環(huán)境等綜合因素的作用下，極易導(dǎo)致風機塔筒發(fā)生銹蝕。造成銹蝕現(xiàn)象的具體原因如下。

一是由于附著在塔筒表面的涂料使用壽命超限，使得涂料表層粉化、剝落、起泡、松動等；二是在最初進行涂裝作業(yè)時，外表處理過程不完全或沒做好外表處理過程的前提下完成了涂料澆筑，所導(dǎo)致的涂料剝落、松動或污物因潮濕空氣滲透至底材；三是在涂裝施工過程中，施工工藝未掌控好，使底漆厚薄不一致，不能發(fā)揮較好的防銹功效；四是因特大風沙等災(zāi)害而導(dǎo)致涂層的損壞；五是在搬運、吊裝過程中未能受到良好的防護，造成涂層損壞。針對風電機組塔筒銹蝕常用的處理方法如下。一是對局部腐蝕部位的表面進行噴射處理，徹底剝離腐蝕處已氧化的腐蝕面和舊鍍層，露出金屬母材達到S2.5級。在處理部位的邊緣，通過動力砂輪研磨產(chǎn)生有梯度的過渡層，以便在經(jīng)過噴漆施工后有一圓滑的表層。二是手刷或滾涂底漆至規(guī)范的涂層厚度。三是中涂漆施工時，可通過刷涂或噴涂手段達到原有設(shè)計的油漆厚度。四是面漆工藝：如果采用了局部處理的方法，當中間漆處理工藝和漆膜厚度均達到設(shè)計標準后，可進行噴漆或刷涂面漆以達到原來的設(shè)計強度要求。如果采用整體全面處理的方式，需在中涂漆厚度達標后對于整個塔筒外表面進行了徹底的清洗。

2.2 葉片及變槳系統(tǒng)故障及原因分析

很多風場在質(zhì)保期間不重視葉片保養(yǎng)，質(zhì)保期過后出現(xiàn)批量葉片的質(zhì)量問題。比如葉片的外表膠衣壽命最多二年保養(yǎng)一遍，但是對于風場維護檢修人員，相關(guān)專業(yè)知識有限，如果葉片目測完好、無斷裂，不影響發(fā)電就認為葉片正常。葉片的外表膠衣有抗紫外光、防風沙、防結(jié)冰等特性，但是玻璃鋼的自然本體如果缺乏外表涂料保護，直接遭受日光、風沙、酸雨環(huán)境就會產(chǎn)生發(fā)白、分層等狀況，久而久之就會發(fā)展為更大問題或事故。所以主張對葉片以保養(yǎng)為先，維修為輔的原則，以提高葉片的壽命和效率。

2.2.1 葉片在運行過程常見的缺陷

一是針孔，葉片針孔主要是因為葉片出廠前未完全處理，在長期旋轉(zhuǎn)過程，加劇葉片損壞，影響風機發(fā)電功率，甚至導(dǎo)致更為嚴重的后果。二是合?？p開裂，此種缺陷主要由于風機急停次數(shù)較多或者合模縫未處理達標導(dǎo)致。急停會使葉片旋轉(zhuǎn)速度急速下降，合?？p處產(chǎn)生較強的作用力，數(shù)量較多的急停次數(shù)可能會導(dǎo)致上述問題的發(fā)生。三是雷擊導(dǎo)致葉片損壞，雷擊葉片導(dǎo)致瞬間過流值遠大于設(shè)計值、接地導(dǎo)線松動、斷裂、脫落等導(dǎo)致葉片損壞。需定期檢查維護葉片接地裝置。四是結(jié)霜掛冰，葉片長時間的旋轉(zhuǎn)，受風力影響，表面防護油漆可能會脫落，導(dǎo)致葉片表面的清潔度、光澤度降低，在特殊的天氣原因下，結(jié)霜掛冰，影響風機運行的平穩(wěn)度。五是葉片斷裂、彎曲、偏移、疲勞失效，由于葉片的長度和剛度上的特點，在轉(zhuǎn)動過程中葉片自身不規(guī)則的震動極易導(dǎo)致葉片破碎。機組經(jīng)過較長時間現(xiàn)場運轉(zhuǎn)后，在葉片表面的塵土、鳥類排泄物或是在惡劣天氣中葉片表面結(jié)霜等，都會引起葉片氣動特性的改變，造成葉片受力不均和整體重心移位，再加之葉片長期遭受交變載荷的影響，最終會導(dǎo)致疲勞損壞[1]。

2.2.2 變槳系統(tǒng)常見故障及分析

一是因變槳電機的機械故障所造成不能進行變槳作業(yè)。導(dǎo)致該故障的發(fā)生多數(shù)是由于電動機長期運轉(zhuǎn)缺少潤滑所致。二是變槳控制回路故障導(dǎo)致無法變槳操作。變槳控制回路繼電器或輔助觸點的虛接或斷開導(dǎo)致該問題。三是緊急回槳失敗，多數(shù)會導(dǎo)致嚴重事故。目前大部分整機廠家都采用蓄電池或超級電容作為緊急備用電源，后備電源的狀態(tài)會直接影響緊急狀況下葉片能否正常順槳。此外，該問題也有可能是由于變槳電機的機械故障導(dǎo)致。四是變槳系統(tǒng)日常檢查需加強潤滑系統(tǒng)的檢查，定時加注新油，及時處理廢油，檢查潤滑管道是否堵塞，參數(shù)設(shè)置是否合理，油泵能否正常運轉(zhuǎn)等；控制回路定期檢查；蓄電池或超級電容的定期檢查等。

2.3 傳動系統(tǒng)各部件常見故障及原因分析

主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器等旋轉(zhuǎn)部件是風電機組傳動鏈的主要構(gòu)成，實現(xiàn)了風能向機械能的轉(zhuǎn)換和傳遞，是風輪與發(fā)電機連接的紐帶。這些主要構(gòu)成設(shè)備受風電機組傳動鏈的復(fù)雜載荷狀態(tài)、多變運行工況、多變環(huán)境條件和風機設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)布局等方面的影響，通常存在特殊的故障機理與故障模式[2]。所以，針對風電機組傳動鏈的運行特性和故障判別的共性問題，探究出新的科學(xué)與工程技術(shù)處理方法，以提升故障診斷能力與預(yù)測準確率，對保障風電機組設(shè)備的正常健康運轉(zhuǎn)有著重大意義。

2.3.1 軸承失效

風電機組的傳動鏈中包含了主軸軸承、齒輪箱軸承、發(fā)電機軸承等。伴隨著風電機組的不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，會引發(fā)多種導(dǎo)致軸承失效的可能，其失效模式一般可分為疲勞、磨損、腐蝕、電蝕、塑性變形、開裂或斷裂。

2.3.2 主軸潤滑油封密封泄漏

風電機組的主軸作為傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，用于連接風輪和齒輪箱，其中包含的浮動軸承和止推軸承均存在油封密封易泄漏的問題，而選用了適當?shù)挠头獠粌H能夠有效減少泄漏問題的發(fā)生，還極大地提高風機工作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。通過對工作經(jīng)驗的總結(jié)，影響泄漏的原因主要包括溫度、顆粒物雜質(zhì)、軸的振動以及偏心量的影響等。

2.3.3 齒輪箱常見故障

一是滲漏油，導(dǎo)致齒箱出現(xiàn)該類問題可能的原因包括空氣濾芯器不暢通，箱體內(nèi)外部存在壓差，從而發(fā)生滲漏油故障；廢油排除孔不通，廢油堆積而出現(xiàn)滲漏油故障；端蓋密封件損壞導(dǎo)致潤滑油滲漏故障；液位太高或者壓力過大均會導(dǎo)致滲漏油。二是齒輪箱外部元器件的損壞，PT100、壓力表、加熱器、液位傳感器、壓力傳感器，這些均屬于齒輪箱外部元器件且為易損毀部件。三是齒輪箱在運行過程中由于PT100異常、高速軸不對中、冷卻風扇失效等引發(fā)的溫度報警也為常見故障。除了上述齒箱故障之外，齒輪箱內(nèi)部軸系間隙出現(xiàn)偏差、行星輪軸承失效、潤滑系統(tǒng)非正常運轉(zhuǎn)、齒輪箱支座失效也都在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中較為常見。

2.4 發(fā)電機、變流器常見故障及原因分析

2.4.1 發(fā)電機常見故障

雙饋電機主要由電機本體和冷卻系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，電機本體一般由定子、轉(zhuǎn)子與軸承系統(tǒng)構(gòu)成。該種發(fā)電機在長期多變工況下運行和電磁環(huán)境中易發(fā)生下列故障。

一是發(fā)電機過溫，常見的是軸承和轉(zhuǎn)子溫度高，造成發(fā)電機過溫故障的主要原因，一般包括軸承缺油或間隙過小，致使軸承摩擦碰撞發(fā)生過溫現(xiàn)象；軸承偏磨斷裂和可能的轉(zhuǎn)子軸彎曲也可能導(dǎo)致該故障；或者是磁片裝配存在偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁極和定子鐵芯發(fā)生摩擦碰撞，也就是常說的掃膛現(xiàn)象；再或者是發(fā)電機定子線圈匝間短路、開路，或接線錯誤，使發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生短路電流。

二是發(fā)電機振動超限，其主要原因包括雙饋發(fā)電機在運行過程中，轉(zhuǎn)子由變流器提供穩(wěn)定的電壓并高速旋轉(zhuǎn)，如果質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心存在偏差就會產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致機組振動，離心力越大，振動越強烈?；蚴前l(fā)電機轉(zhuǎn)子在正常工作時，如發(fā)生斷條、脫落或不均勻磨損、結(jié)垢、繞組松動，這些因素都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡，從而引發(fā)電機的抖動。此外，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子線圈短路、轉(zhuǎn)子斷條、絕緣層損壞也均為現(xiàn)場常見故障。

2.4.2 變流器常見故障

變流器主要由兩部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器，二者獨立控制。變流器在運行過程中常見的故障。一是Crowbar 電阻故障；二是IGBT 故障，其主要故障包括過流擊穿和燒毀；三是其他易損元器件的燒毀，如繼電器、接觸器燒毀或控制回路、并網(wǎng)回路故障。

3 風電機組常見電氣故障診斷方法

3.1 常見電氣故障分類

風電機組的電氣類問題故障，可按故障的特性、表象、成因或結(jié)果等加以劃分。根據(jù)故障特性不同，分為硬件和軟件兩種類型；按照故障出現(xiàn)時有無提示，可劃分成有診斷指示故障和無診斷指示故障；根據(jù)故障是否具有破壞性，可分為破壞性故障和非破壞性故障；依照故障產(chǎn)生的形式，也可劃分整體性故障、隨機性事故等。

3.2 常見電氣故障診斷方法

風力發(fā)電機組作為一種高度智能化的系統(tǒng)，故障現(xiàn)象紛繁復(fù)雜。有經(jīng)驗的檢修維護人員，可以利用對故障出現(xiàn)時各種異?，F(xiàn)象的直接觀察來排除故障原因，如根據(jù)空開、漏電保護開關(guān)、接觸器、熔斷器等元器件是否已動作，通過圖紙查找故障位置，在必要時可以借助萬用表或示波器等儀表，確認有無過流、過壓、短路、超溫以及不正常波形等。此外，還可以通過觸碰電氣元器件，判斷有無松動，查找故障點位。利用這些直接觀測的方式，能夠迅速判斷故障部位。而對較繁雜、缺乏外觀異常特征的故障，可采取如下方式，以輔助分析并排除故障。

3.2.1 部件交換法

該辦法是在剖析出發(fā)生故障大體原因的情況下，檢修維護人員可利用整個系統(tǒng)中現(xiàn)有的同一種類的元件來進行替代疑點部分，以便于將出現(xiàn)故障區(qū)域范圍縮小至某一元件。

3.2.2 接口狀態(tài)檢查法

風電機組中的變槳系統(tǒng)、變流系統(tǒng)、測風系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)都和PLC 之間存在數(shù)字量、模擬量、通信等多種接口信號形態(tài)。一些故障是和接口信息出錯或丟失有關(guān)，這些故障狀態(tài)信息能夠通過對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器、接口板、PLC 指示燈或HMI 調(diào)出和顯示，從而通過查看接口數(shù)據(jù)狀態(tài)來判斷故障所在。

3.2.3 參數(shù)調(diào)整法

風電機組的一些參數(shù)如超速、振動、電壓、溫度等閾值可通過程序或HMI 等進行調(diào)整，以滿足不同的操作工況和功能狀態(tài)需要。這些參數(shù)，使得機組在并網(wǎng)運行后的各項功能實現(xiàn)最優(yōu)化。所以，任何參數(shù)的改變都會一定程度上影響機組的動態(tài)特性、運行狀態(tài)等。可以利用這個特點，在確保機組安全的前提下通過適當修改相關(guān)參數(shù)鎖定或消除機組故障。

3.2.4 記錄分析法

風機控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄工作時各項動態(tài)技術(shù)參數(shù)以及發(fā)生故障前后一段時間內(nèi)的技術(shù)參數(shù)，對故障數(shù)據(jù)分析及事件現(xiàn)場狀況還原提供了數(shù)據(jù)信息真實性保障。風機故障數(shù)據(jù)快照功能可以為機組的維護和故障處理提供極大的便利，對風電機組的真正工作過程數(shù)據(jù)和發(fā)生故障前后的模擬量和開關(guān)量加以分析、鑒定，運行維護人員使用測量工具和相關(guān)軟件就能夠找到其中的規(guī)律性，以便于迅速判斷故障特性，正確判斷故障區(qū)域和具體問題元器件。通過上述方法基本可甄別風電機組常見的電氣故障，并及時將其處理。

4 結(jié)語

本文重點介紹了風電機組常見機械、電氣故障，故障原因及診斷方法。從文中可以看出，風電機組故障涉及面廣，涵蓋電氣、機械、液壓等多個學(xué)科領(lǐng)域。因此，掌握常見故障診斷方法，快速定位故障點，對于系統(tǒng)復(fù)雜的風電機組快速有效的排除故障，第一時間或提早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障或隱患并進行維修和消除，提高風電機組和風場MTBF、TBA、PBA 等運行指標，對保證風場安全穩(wěn)定運營具有重要意義。